Форт (язык программирования)

Forth
Семантика	императивный
Класс языка	язык программирования, интерпретируемый и компилируемый язык программирования
Тип исполнения	интерпретатор/компилятор
Появился в	1971 год
Автор	Чарльз Х. Мур
Расширение файлов	.fth, .fs, .4th, .fb, .f или .forth
Система типов	бестиповый
Основные реализации	gForth, pForth, kForth, SP-Forth[1], win32forth[2]
Диалекты	FORTH-79, FORTH-83, ANSI FORTH 1994 года, ColorForth, RetroForth. Forth 2012 Standart
Испытал влияние	АПЛ, Лисп
Повлиял на	PostScript, Factor и другие конкатенативные языки
Сайт	forth-standard.org (англ.)
Медиафайлы на Викискладе

Форт (англ. Forth) — один из первых конкатенативных языков программирования, в котором программы записываются последовательностью лексем («слов» в терминологии языка Форт). Математические выражения представляются постфиксной записью при использовании стековой нотации. Поддерживает механизмы метарасширения семантики и синтаксиса языка для адаптации к нужной предметной области. Синтаксис базового уровня в Форте прост и состоит из единственного правила: «все определения разделяются пробелами». Определения Форта могут иметь любое сочетание символов.

Ряд свойств, а именно интерактивность, гибкость и простота разработки делают Форт эффективным языком в прикладных исследованиях и при создании инструментальных средств. Очевидными областями применения этого языка являются встраиваемые системы управления. За счёт простоты транслятор, а зачастую и компилятор Форта легко реализуется для подавляющего числа микроконтроллеров, также используется как кросс-средство программирования. Применяется также при программировании компьютеров под управлением различных операционных систем или как самостоятельная операционная среда.

Язык Форт был создан Чарльзом X. Муром в конце 1960-х — начале 1970-х годов. Мур назвал свой язык Fourth, считая, что это будет язык для ЭВМ четвёртого (англ. fourth) поколения. Но так как он работал на машине IBM 1130^[англ.], которая допускала имена, составленные не более чем из пяти прописных букв, название было преобразовано в FORTH (англ. forth — вперёд). Впрочем, первые эксперименты Мура по созданию простого интерпретатора, облегчающего написание программ управления астрономическим оборудованием, относятся ещё к концу 1950-х годов.^[3]

С 1971 года Мур работал в Национальной радиоастрономической обсерватории, участвуя в разработке программ сбора и обработки получаемых радиотелескопом данных. Именно тогда появилась первая реализация языка Форт. В этой работе также участвовала сотрудница Мура Элизабет Ратер (англ. Elizabeth Rather), которую можно считать вторым в мире форт-программистом.

Вновь созданный язык был принят в качестве основного языка программирования в Американском астрономическом обществе. Позднее, в 1973 году, Чарльз Мур и Элизабет Ратер основали компанию FORTH, Inc^[4], в ходе работы которой в течение следующего десятилетия язык был портирован на множество платформ.

В конце 1970-х годов программистами, заинтересованными в развитии языка, была создана группа FORTH Interest Group (FIG). Этой группой разработана концепция FIG Forth Model — общедоступной форт-системы, которая может быть легко перенесена на популярные компьютерные архитектуры. Эту эталонную форт систему — FIG-FORTH часто рассматривают как первоначальный стандарт языка.

Идея официальной стандартизации Форта первоначально возникла в рамках Международного объединения астрономов (англ. Astronomical Sciences, AST). В мае 1977 года на встрече в Национальной обсерватории Китт-Пик (США) был выработан глоссарий языка Форт, обозначенный как AST.01.

В феврале 1978 года в Утрехте был принят стандарт FORTH-77, ориентированный на реализацию на микрокомпьютеры.

В октябре 1979 года встреча на острове Санта-Каталина (Калифорния) закончилась разработкой стандарта FORTH-79, который распространяется на ЭВМ всех типов.

Осенью 1983 года состоялась встреча по разработке следующего стандарта, утверждённого в 1984 году как FORTH-83. Стандарт Форт-83 отличается от стандарта Форт-79 некоторыми деталями, но не по существу.

В 1988 году в составе ACM была организована группа SIGFORTH^[5]; была и соответствующая Российская группа ACM (председатель — проф. С. Н. Баранов (Санкт-Петербург, СПИИРАН)). Сейчас SIGFORTH существует в составе более общей группы SIGPLAN^[англ.].

В 1994 году после продолжительного согласования, в котором участвовали многие заинтересованные фирмы, был принят ANSI стандарт языка Форт.^[6]

Текущий стандарт языка Форт был принят в 2012 году.^[7]

Известный пример успешного применения Форта — его использование в программном обеспечении глубоководного спускаемого аппарата, при поисках «Титаника» в 1985 году. Также Форт был применён в программном обеспечении спектрографа на Шаттле, в микромодулях управления искусственными спутниками Земли, для системы управления в аэропорту Эр-Рияда, системах компьютерного зрения, автоматизации анализа крови и кардиологического контроля, карманных переводчиках.

Диалект языка Форт используется в OpenBoot — базовом программном обеспечении ЭВМ на базе процессоров SPARC и PowerPC.

В начале 1980-x Джон Уорнок и Чак Гешке из Adobe Systems создали язык PostScript^[8]. Несмотря на сходство языков, Джон Уорнок отмечал^[9], что Форт не оказал влияние на создание PostScript

Существуют процессоры и контроллеры, поддерживающие вычислительную модель языка на аппаратном уровне. Создано множество открытых реализаций Форта для различных аппаратных платформ. Отдельные фирмы (среди которых следует отметить прежде всего основанную Чарльзом Муром FORTH, Inc и британскую компанию MicroProcessor Engineering Ltd.^[10]) поставляют различные по своим возможностям коммерческие версии языка.

Две домашние компьютерные игры от Electronic Arts, созданные в 1980-х, были написаны на Форте: Worms? (1983)^[11] и Starflight (1986).^[12] В качестве языка для системного программирования в Canon Cat (1987) использовался Форт.

Ежегодно проводятся конференции ЕвроФорт (EuroForth), в том числе в России, Англии, Австрии, Германии, Испании, Чехии (ранее в Чехословакии).^[13]

Основная часть Форт-системы — это связный список слов, или словарь, из которого слово вызывается по имени для выполнения специфических функций. Программирование на Форте состоит в определении новых слов на основе слов, определённых в словаре ранее. Как только новые слова скомпилированы в словарь, они не отличаются по форме от слов, которые в нём уже имелись. Описание слова в словаре называется статьёй.

Структура «типичной» статьи словаря Форта:

• поле имени — содержит имя статьи (идентификатор слова) в виде строки со счётчиком, а также несколько флагов.
• поле связи — указатель на предыдущую статью.
• поле кода — указатель на код для интерпретации статьи.
• поле параметров — семантика слова (в зависимости от поля кода).

Условно статьи Форта можно разделить на две категории: низкоуровневые статьи и форт-статьи. Статьи первого типа содержат в поле кода указатель на процедуру в кодах целевого процессора, непосредственно выполняющую семантику слова. В поле параметров таких статей располагаются передаваемые процедуре параметры, либо сам её код. Форт-статьи содержат в поле параметров указатели на другие статьи, а поле кода указывает на специальную процедуру, называемую интерпретатором ссылок. На практике структура статьи зависит от реализации, но, как правило, похожа на рассмотренную выше. Принцип, используемый внутри поля параметров форт-статьи, называется шитый код (англ. threaded code), а интерпретатор ссылок — виртуальной Форт-машиной.

Грамматически текст, обрабатываемый транслятором Форта, представляет собой последовательность лексем (англ. token), разделённых пробелами и символами конца строки. Транслятор входной строки выбирает очередной токен и производит его поиск в текущем словаре, причём поиск ведётся от более новых слов к старым. Если слово не найдено, предпринимается попытка интерпретировать токен в качестве записи числа, которое, в случае успеха, помещается на вершину стека. Если же токен соответствует слову Форта, анализируется текущее состояния флага compile Форт-системы. Если флаг сброшен, то слово исполняется — управление передаётся по указателю поля кода найденной статьи. Если флаг установлен, слово компилируется, то есть указатель на его поле кода дописывается в текущую создаваемую статью. Если было оттранслировано число, оно снимается со стека и компилируется в литеральный код, исполнение которого внутри словарной статьи помещает число на вершину стека. Кроме того, слова могут содержать флаг immediate («немедленный»), в этом случае они всегда исполняются.

Механизм передачи параметров между словами:

• через стек данных;
• через ячейки памяти;
• через именованные локальные переменные (стандарт 1994 года).

Язык предоставляет способ работы с памятью системы, как с линейной областью.

Обязательным компонентом системы является также стек возвратов. Доступен программно для изменения потока управления программы.

Всё вышесказанное относится к понятию Форт только в первом приближении. Форт — это не совсем язык программирования; вернее, он перекрывает понятие языка программирования. Форт в большей степени является виртуальной машиной и операционной системой ForthOS.^[14]

Синтаксис и семантику Форта можно расширить до любого другого языка программирования прямо во время интерпретации (компиляции) форт-программы. Использовать Форт в качестве метаязыка удобно благодаря доступности средств Форта, поддерживающих те языки, которые уже есть в Форт-системе. Все ресурсы Форт-системы доступны пользователю и представлены в виде словарных статей. Как правило, словарные статьи, определённые пользователем, имеют точно такое же представление в Форт-системе, как и все остальные словарные статьи, из которых и состоит вся Форт-система.

В качестве машинного представления скомпилированной форт-программы используется тот или иной вид шитого кода.

При использовании подпрограммного кода получается машинный код, в котором, по сравнению с кодом, сгенерированном компилятором обычного языка программирования, где на единственный стек кладутся и переменные, и адреса возвратов из подпрограмм, отсутствуют операции по «перетаскиванию» параметров подпрограмм. В качестве стека возвратов используется основной стек процессора, стек данных организуется программно.

При использовании шитого кода, отличающегося от подпрограммного, определения Форта, состоящие только из машинного кода, называются примитивы. В таком шитом коде часто стараются использовать основной стек процессора в качестве стека данных, а обращения к данным, лежащим на нём, в виде машинных команд pop и push.

Одно из не совсем очевидных преимуществ использования косвенного шитого кода в том, что весь машинный код, то есть примитивы, вызовы интерпретатора кода и переменных, могут размещаться в одном сегменте кода, который будет недоступен для изменения. Весь остальной код Форта размещается в сегменте данных. Этих сегментов может быть много, а работать с единственным номером сегмента легче, чем с двумя.

Форт системы могут также использовать байт-код, как логическое завершение развития косвенного шитого кода и свёрнутого шитого кода с адресной таблицей. В этом случае код программы (Форта) представляет собой последовательность байтов, или код некоторого придуманного виртуального процессора. Для исполнения этого кода должна существовать таблица на 256 адресов (2-байтовых, 4- или 8-байтовых), по которым расположены примитивы Форта или сложные определения.

Этот вариант сильно отличается от других видов кода и заслуживает особого внимания.

• Как и в косвенном шитом коде, примитивы Форта могут быть расположены в едином сегменте кода, защищённом от вмешательства, прошитом в ПЗУ. Примитивы зависят от конкретной платформы и могут быть выполнены в виде отдельного блока. Вся остальная часть Форта является платформонезависимой и переносимой на любую машину.
• Вокруг таблицы на 256 определений группируется отдельный словарь, лексикон, предназначенный для конкретной задачи или группы задач. Эти 256 определений занимают места не более 64К, то есть таблица может содержать 2-байтовые адреса (смещения относительно начала словаря).
• Байтовый код позволяет расширить количество определений за счет древовидной структуры словарей до любой величины, сохраняя минимальные размеры программы.
• Байтовый код может быть стандартизован. Как и для Java, такой код может быстро пересылаться по сети и исполняться на машинах с любой платформой.
• Байтовый код позволяет эмулировать любой процессор или программную систему и выполнять отладку разработанных для них программ.

.( Привет Мир)

Пример определения слова .SIGN, печатающего соответствующую фразу в зависимости от знака числа на вершине стека:

\ Напечатать знак числа
: .SIGN ( n -- )
   ?DUP 0= IF
     ." НОЛЬ"
   ELSE
     0> IF
     ." ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ ЧИСЛО"  ELSE
     ." ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ЧИСЛО"  THEN
   THEN
;

Пример реального кода, создающего строчную константу в принятом в Форт виде (со счётчиком):

\ Создать "константу" из строки
: S-CONSTANT ( c-addr u "<spaces>name" -- )
   CREATE 
     DUP , 0 ?DO
       DUP C@ C, CHAR+
     LOOP DROP 0 C,
   DOES>
     DUP CELL+ SWAP @
;

В этом примере создаётся определение слова name с помощью слова CREATE. При исполнении слова name на стек будет положен адрес указателя области памяти, который был во время компиляции слова. Для того, чтобы его можно было как-то использовать, туда записывается («компилируется» строка). При выполнении слова выполняются слова, указанные после слова DOES>.

Таким образом, в этом примере была создана новая синтаксическая конструкция. Подобные возможности редко представлены в других языках программирования.

Кроме создания новых синтаксических конструкций, одной из самых сильных возможностей Форта является возможность вмешиваться в процесс компиляции с помощью слов немедленного исполнения (immediate-слов).

Примеры таких стандартных слов:

[ — Временное переключение в режим исполнения (фактически, часто просто записывает 0 в переменную STATE).

] — Переключиться обратно в режим компиляции.

LITERAL — Компилировать число, в данный момент лежащее на вершине стека, как константу. Также является словом немедленного исполнения.

Пример кода, где используются эти слова:

\ Некоторый размер данных в килобайтах
16 CONSTANT size
 
\ Напечатать отчёт о пересчёте килобайтов в байты
: report ( -- )
   size . ."  килобайт эквивалентны "
   [ size 1024 * ] LITERAL . ." байтам"
;

Одна из постоянных тем споров вокруг языка Форт — это место, которое он занимает среди «классических» императивных языков. Программы на Форте имеют крайне непривычный вид:

• Программа состоит из необычной последовательности слов, среди которых отсутствуют так называемые «ключевые» слова, которые распознаются и обрабатываются в других языках программирования специальным образом.

С выходом серии фильмов «Звёздные войны» по этому поводу появилась шутка, ставшая ныне классической, которая хорошо иллюстрирует данную особенность Форта:

Йоды магистра тайна речи раскрыта:
Старым Форта программистом был он просто.

Оригинальный текст (англ.)

The mistery of Yoda’s speech uncovered is:
Just an old Forth programmer Yoda was.^[15]

• Приведённый пример заодно указывает на уникальную особенность Форта: отсутствие списка параметров в скобках и возможность программировать на родном языке. Использование словарных конструкций родного языка позволяет сделать программу понятной, что повышает её надёжность ^[].
• «Обратная польская запись» арифметических выражений и наличие нескольких стеков.
• Двойственная природа компилятора Форта. Нельзя утверждать однозначно, является ли Форт компилятором или интерпретатором. Практически всегда его можно использовать в двух режимах, за исключением редких случаев вроде «целевой компиляции» (трансляции в машинный код программы для системы с иной архитектурой).
• Отсутствие системы типов. Подобно языкам ассемблера, в Форте нет встроенной системы типов. Нет возможности узнать, что лежит на вершине стека — число со знаком, число без знака, указатель на строку, символ, или два числа, рассматриваемых как одно длинное число. Контроль типов возлагается на программиста. При этом используются специальные наборы слов (например, запись и чтение ячеек памяти производят словами ! и @, а символов — словами C! и C@), некоторые сущности выносятся в специальные стеки (например, стек чисел с плавающей запятой, согласно стандарту ANSI FORTH 94; он может быть, а может и не быть, реализован с помощью основного стека).

Эти особенности и определяют преимущества и недостатки языка Форт:

• Опытный программист, знакомый с системой команд и архитектурой процессора, может написать «ядро» форт-системы за несколько дней.
• Свобода, предоставляемая программисту, требует сильного самоконтроля. Входной порог для программирования на Форте ниже, чем у классических языков программирования, но требует привыкания и понимания не только возможностей и особенностей синтаксиса Форта, но, также, понимания философии, лежащей в его основе.
• Форт не поддерживает никакую парадигму программирования и поддерживает их все одновременно. Написать набор слов для организации ООП в программе на Форте (а их может быть одновременно несколько и они будут отлично уживаться вместе) гораздо проще, чем решить, какие возможности от этого набора слов требуются.
• Разбиение программы на множество мелких слов позволяет легко и быстро проверять их по отдельности, передавая им нужные наборы входных параметров и контролируя то, что остаётся на стеке. Фактически, это означает, что для тестирования какого-то компонента программы можно не загружать все зависимые компоненты целиком.
• Большинство реализаций Форта позволяют сделать декомпиляцию программы. Полученный текст мало отличается от исходного.
• Форт позволяет реализовать любую технологию программирования, доступную в других языках и системах. В нём также допустимы приёмы, запрещённые в других языках (например — самомодификация кода). Устранение негативных последствий этих приёмов путём создания правильного лексикона, стимулирующего грамотную методику их использования, также возложено на программиста.
• Размер кода Форта для 16-разрядных систем, при грамотном написании программы, иногда в 10-20 раз меньше кода, скомпилированного из программы на Си. Для 32-разрядных систем этот разрыв ещё больше. В операционных системах общий выигрыш может составлять уже сотни, а то и тысячи крат. Причина очень простая — готовая задача на Форте имеет размер несколько байт, все вспомогательные подпрограммы реализованы в виде определений, доступных всем. Система на Форте вместится в процессор, в который другие системы влезть в принципе не способны.
• Синхронизация процессов и потоков в многозадачных системах, переключение контекста, реализация доступа к ограниченным ресурсам — сложнейшие проблемы при написании ОС. Для поддержки этих возможностей даже создаются специальные команды в микропроцессорах. Для интерпретатора это вообще не проблема, поскольку он эмулирует любой процессор и любую необходимую команду.

Возможно, что на самом деле больше всего развитию Форта препятствует «тяжёлое наследство», пришедшее от машин с низкими возможностями, для которых он изначально создавался. В стандарте ANSI FORTH 94 существуют, например, следующие особенности:

• Переносимая программа должна предполагать, что стек чисел с плавающей запятой может быть реализован с использованием основного стека. К счастью, для большинства современных компиляторов это не так. Но сам факт наличия такого пункта в стандарте создаёт определённые неудобства. При программировании с активным использованием арифметики с плавающей точкой, эту норму стандарта традиционно игнорируют.
• Аналогичная норма существует относительно стека потока управления. Здесь всё не так просто, так как часто это именно так и есть — в процессе компиляции стек используется самим компилятором. В абсолютном большинстве случаев никакого влияния на программу это не оказывает, но про саму особенность надо помнить. Например, если вы хотите в процессе компиляции вычислить какое-то число, за пределами начала определения, а потом вставить его в слово как константу, то для этого придётся использовать какой-либо обходной путь.
• Определения многих слов в стандарте слишком низкоуровневые. Например, слово 2* производит не умножение на два, как следует из его названия, а «смещает число на один бит к старшему двоичному разряду, заполняя младший бит нулём». Конечно, на большинстве современных машин — это одно и то же, но сам факт использования особенностей конкретной архитектуры настораживает. (Существуют также более очевидные стандартные слова для сдвига битов — LSHIFT и RSHIFT.)

Многие из этих особенностей — следствие того, что на момент принятия стандарта существовало множество плохо совместимых Форт-систем, которые базировались на двух частично различающихся стандартах 1979 и 1983 годов.

• Реализации языка Forth
• Языково-ориентированное программирование
• Стек
• Стек вызовов
• Стековый язык
• Фортран

Диалекты

• colorForth
• Factor (язык программирования)

Приложения

• Axiom Development Kit

• Баранов С. Н., Колодин М. Ю. Феномен форта // Системная информатика. — Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1995. — Вып. 4. — С. 193—291. — ISBN 5-02-030678-9.
• Баранов С. Н., Ноздрунов Н. Р. Язык Форт и его реализации. — Л.: Машиностроение, 1988. — 157 с. — (ЭВМ в производстве). — 100 000 экз. — ISBN 5-217-00324-3.
• Leo Brodie. Thinking Forth. — ISBN 0-9764587-0-5. Архивная копия от 16 декабря 2005 на Wayback Machine
• Броуди Л. Начальный курс программирования на Форте = Starting Forth. An introduction to the Forth language and operating system for beginners and professionals / Пер. с англ.; предисл. И. В. Романовского. — М.: Финансы и статистика, 1990. — 352 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-279-00252-6.
• Броуди Л. Способ мышления — Форт.
• Бураго А. Ю., Кириллин В. А., Романовский И. В. Форт — язык для микропроцессоров. — Общество «Знание», Ленинградская организация, 1989. — 36 с. — (В помощь лектору). — 26 000 экз.
• Дьяконов В. П. Форт-системы программирования персональных ЭВМ. — М.: Наука, 1992. — 352 с. — ISBN 5-02-014460-6.
• Келли М., Спайс Н. Язык программирования Форт / Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1993. — 320 с. — ISBN 5-256-00438-7.
• Семёнов Ю. А. Программирование на языке Форт. — М.: Радио и связь. — 240 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-256-00547-2.
• Таунсенд К., Фохт Д. Проектирование и программная реализация экспертных систем на персональных ЭВМ / Пер. с англ. В. А. Кондратенко, С. В. Трубицына. — М.: Финансы и статистика, 1990. — 320 с. — ISBN 5-279-00255-0 (СССР) ISBN 0-8306-2692-1 (США).

Журнальные публикации

• Stephen Pelc. Modern Forth // Dr. Dobb's Journal. — 2008, Сентябрь.

• сайт Forth Interst Group (англ.)
• сайт компании Forth Inc. (англ.)
• Конференция ЕвроФорт, есть все доклады
• Google Group

Стандарт

• Русский перевод стандарта ANS FORTH 94 (выполнен Сергеем Кадочниковым, в этом переводе известны несколько ошибок, например в описании слова SEARCH)

Русскоязычные ресурсы

• Сайт русскоязычных пользователей языка Forth
• Активный Форум по языку Форт на winglion
• Активный Форум по языку Форт на msyst
• Активный Форум по языку Форт на www.wrk.ru
• fido7.su.forth
• История языка Форт
• Идеи языка Форт (от разработчика eserv)
• Сайт А.Ларионова

Коллекции ссылок на форт-ресурсы

• Вики-сайт, посвящённый форт-ресурсам
• Коллекция ссылок на ресуры по Форт на sourceforge.net